（计算机应用技术专业论文）directshow网络视频教育方案的实现.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除文中已经注明引用的内容外。本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。 对本论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示感谢。 作者签名：地 学位论文使用授权声明 日期：立! 皇兰 本人完全了解华东师范大学有关保留和使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位 学位论文作者签名： 日期：塑生2 健 导师签名 论文在解密质适用本规定。 绦挑 日期：一刎3 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 摘要 远程教育是网络多媒体技术应用的一个重要方向。它突破了时间和空间的限制，为广大 的学习者提供了极大的方便。 网络视频教育是远程教育的一个重要组成部分，它实现了师生们在网络上的视频和音频 交流。它有三种实现方式：纯硬件方案、纯软件方案和软硬结合的方案。 现阶段我国的网络多媒体教育得到了广泛的运用，但是在实现网络视频教育时，还存在 着如下一些问题： 1 纯硬件网络视频教育方案成本过高，不能为普通用户接受，限制了它的推广，也不 便于升级换代。 2 纯软件网络视频教育方案视频和音频质量不高，不支持异步教学和多点视频通讯。 3 无论是纯硬件方案还是纯软件方案，它们所采用的视频和音频编解码器都遵循 h 3 2 3 标准，所输出的媒体数据格式较为单一，不能适应用户需求和网络环境的变化。 针对上述问题，本文提出了基于d i r e c t s h o w 技术的网络视频教育方案。该方案是一个 纯软件方案，它克服了以前软件方案的缺点， 1 使用廉价的设备替代原有的专业设各 制。 所作的工作主要有以卜| 几方面： 利用软件来实现视频音频的捕获、编码和录 2 提供对m p e g 4 、m p 3 等先进编码技术的支持实现这些媒体数据流的网络传输。 3 兼容多种编码器，并提供对编码器属性和视频音频质量的配置方式。 4 提供对同步和异步教学模式的支持，并使用组播来实现多点通讯。 本文主要介绍了方案三个层次的实现： 1 用户界面层。它提供程序的界面，让用户可以根据自身和环境的需要对各类设备和 编码器进行选择和配置。 2 g r a p h 管理层。这层中，本文在d i r e c t s h o w 所提供的底层a p i 基础上。设计了一系 列完成特定功能的高级函数，供用户界面层调用。 3 f i l t e r 层。在这层中，本文设计了一个网络传输f i l t e r ，来实现媒体数据的网络发送和 接收。网络传输f i l t e r 对各类媒体数据进行r t p 数据报封装，并对m p e g - 4 数据进行特殊的 分片处理；在接收时，使用异步接收方式、多重缓冲和多线程技术来提高系统的性能。并且 它使用c o m 技术开发，有很好的扩展性。 经过实际运行和测试，本方案完全达到了设计的要求。 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 本文的研究意义在于：使用最新的d i r e c t s h o w 技术以纯软件的方式，来实现网络视 频教育。方案的成本低，视频和音频质量好，兼容性强，配置灵活，能适应不同网络带宽， 由于方案采用的是层次型结构，因而也提高了它的扩展性。 关键词：网络视频教育，d i r e c t s h o w ，视频，音频，编码器，m p e g 4 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 a b s t r a c t r e m o t ee d u c a t i o ni sa n i m p o r t a n tp a r to ft h en e t w o r km u l t i m e d i at e c h n i q u e i tb r e a k s t h r o u g ht h el i m i t a t i o no f t h es p a c e t i m ea n db r i n g sg r e a tc o n v e n i e n c et ot h el e a r n e r s t h en e t w o r kv i d e oe d u c a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e m o t ee d u c a t i o n i tr e a l i z e st h e c o m m u n i c a t i o no ft h ev i d e o a u d i oo nt h en e t w o r kb e t w e e nt h et e a c h e r sa n ds t u d e n t s t h e r ea r e t h r e ew a y st oi m p l e m e n tt h en e t w o r kv i d e oe d u c a t i o n ：h a r d w a r es o l u t i o n ，s o f t w a r es o l u t i o na n d h a r d w a r e s o f t w a r es o l u t i o n r e m o t ee d u c a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di no u rc o u n t r y , b u tt h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m si n t h er e a l i z a t i o no f t h en e t w o r kv i d e oe d u c a t i o n ： 1 t h ec o s to f t h eh a r d w a r es o l u t i o no f t h en e t w o r kv i d e oe d u c a t i o ni st o oh i g hf o r t h eu s e r s 2 t h ev i d e o a u d i oq u a l i t yo f t h es o f t w a r es o l u t i o nc a nn o ts a r i s f yt h eu s e r s a n dt h es o f t w a r e s o l u t i o nd o e s n ts u p p o r ta s y n c h r o n i s me d u c a t i o na n dm u l t i c a s t 3 t h ec o d e c su s e d nt h eh a r d w a r es o l u t i o na n ds o f t w a r es o l u t i o nf o l l o wt h eh 3 2 3s t a n d a r d t h eo u t p u tm e d i af o r m a ti ss os i m p l e xt h a ti tc a nn o ta d a p tw e l lt ot h ec h a n g eo ft h eu s e r s r e q u i r e m e n ta n dn e t w o r kc o n d i t i o n a i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rd e s i g n e da s o f t w a r es o l u t i o no fn e t w o r kv i d e o e d u c a t i o nw h i c hw a sd e v e l o p e dw i t hd i r e c t s h o w t h i ss o f t w a r es o l u t i o no v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n g so f t h es o f t w a r es o l u t i o nb e f o r e ，i ta c c o m p l i s h e s t h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 r e p l a c i n gt h es p e c i a la n de x p e n s i v ee q u i p m e n t sb yt h ec h e a po n e s ，u s i n gs o f t w a r et o c a p t u r e ，e n c o d e d e c o d e ，a n dr e c o r dt h ev i d e o a u d i od a t a 2 s u p p o r t i n gm p e g - 4a n dm p 3c o d e c ，d e s i g n i n gt h en e t w o r kt r a n s m i tm e t h o do ft h e s e m e d i ad a t a 3 p r o v i d i n gt h ec o m p a t i b i l i t yf o rk i n d so f c o d e c s ，a n dt h ec o n f i g u r m i o no f t h e s ec o d e c sa n d v i d e o a u d i o sq u a l i t y 4 s u p p o r t i n gs y n c h r o n i s me d u c a t i o n ，a s y n c h r o n i s me d u c a t i o na n dm u l t i c a s t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h et h r e el a y e r s d e s i g no f t h es o l u t i o n 1 u il a y e r i tp r o v i d e st h eu s e ri n t e r f a c e ，w h i c ha l l o w st h eu s e r sc o n f i g u r i n gt h ed e v i c e sa n d t h ec o d e c st om e e tt h e i rr e q u i r e m e n t 2 g r a p hm a n a g e rl a y e r i nt h i sl a y e r , t os e r v ef o rt h eu il a y e r , t h i sp a p e rd e s i g n e das e r i e so f 4 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 h i 曲l e v e lf u n c t i o n sb a s e do nt h ed i r e c t s h o wa p i 3 f i l t e rl a y e r i nt h ef i l t e rl a y e r , t h i sp a p e rd e s i g n e dan e t w o r kt r a n s m i tf i l t e rt oi m p l e m e n t t h em e d i ad a t a st r a n s m i s s i o n t h en e t w o r kt r a n s m i tf i l t e re n c a p s u l a t e st h em e d i ad a t ai n t ot h e r t p p a c k e t s ，a n dh s e ss p e c i a lm e t h o dt os e p a r a t et h em p e g - 4d a t a w h e nr e c e i v i n gm e d i ad a t a ，i t u s e s a s y n c h r o n i s mr e c e i v i n gm o d e ，m u l t i c a c h e a n dm u l t i - t h r e a dt o i m p r o v e t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e a n db e c a u s ei ti sd e v e l o p e dw i t hc o m ，i th a sb e t t e re x p a n s i b i l i t y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri s ：d e s i g n i n gas o f t w a r es o l u t i o no fn e t w o r kv i d e oe d u c a t i o nw i t h t h ea d v a n c e dd i r e c t s h o wt e c h n i q u e t h ef e a t u r e so ft h i ss o l u t i o na r e ：l o wc o s t ，b e r e t v i d e o a u d i oq u a i l t y , c o m p a t i b i l i t yf o rm o r ec o d e c s ，k i n d so fc o n f i g u r a t i o n sw h i c ha l l o wu s e r s d o i n gd i f f e r e n tt a s k sa n da d j u s t m e n tf o rt h ec h a n g eo fn e t w o r kc o n d i t i o n k e y w o r d s ：n e t w o r kv i d e oe d u c a t i o n ，d i r e c t s h o w , v i d e o ，a u d i o ，c o d e c ，m p e g - 4 d i r c c t s h o w 网络视频教育方案的实现 第一章网络视频教育概述 第一节远程教育概述 学无止境，现代人更要不断地学习新的知识和技能。才能跟上时代的步伐。学习将一直 陪伴每个人。网上教育突破了传统的面授教学的局限，为求知者提供了时间分散，资源共享， 地域广阔，交互式的教学新方式，因而广受人们关注。 从技术上讲，远程教育系统是建立在现代传媒技术基础上的网络多媒体应用系统。它通 过现代的通信网络将教师的图像，声音和电子教案传送给学生，亦可以根据需要将学生的图 像，声音回送给教师，从而模拟出学校教育的授课方式；同时还可以利用现有的网络条件建 立虚拟班级，以加强学生之间的交流。 概括地说，远程教育的优势在于它突破了时空限制，增加了学习机会，有利于扩大教学 规模，提高教学质量，降低教学成本。学习者可以在自己方便的时间，适合的地点，按照自 己需要的速度和方式，运用更加丰富的教学资源来进行学习。因此，从发展的眼光看远 程教育会成为学校教育的补充和扩展，同时会促进学校的教育改革。 远程教育系统从形式上主要有两种：一是同步教学方式，二是异步教学方式。同步教学 方式的特点一是定期性，二是即逝性，它是实时的在线授课，有时间的限制。异步教学方式 类似于视频点播，特点是先将课程内容预先存储到视频服务器中，学生可以不受时间限制随 意点播视频服务器中的任意一门课程内容。 远程多媒体教育系统特点： ( 1 ) 视频在线交流的真实性，即时性 ( 2 ) 在线教学管理的方便快捷和系统性 ( 3 ) 在线考试的随时随地性 远程多媒体教育系统的功能模块 ( 1 ) 教学模块 进行学科管理，学籍管理，档案管理，安排授课和答疑，布置作业管理课件等。 ( 2 ) 网络视频教育模块 实现在线视频和音频交互，提供在线实时授课( 同步教学) 和视频点播授课( 异步 教学) 等功能。 ( 3 ) w e b 讨论区模块 实现用户发表，修改，删除及查阅文章等功能。 6 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 ( 4 ) 聊天室模块 实现在线聊天，并具有管理功能。 ( 5 ) w e b 电子邮件模块 支持w e b , m a i l 方式，完全通过浏览器进行管理。支持s m t p ，p o p 3 等协议。 ( 6 ) 课件制作模块 支持多种媒体的电子课件( 如：音频，视频，二维高清晰度图像，三维全景图像，文 本及多种媒体结合并存。支持多种格式的电子课件( 如r e a l ，l i v e p i c t u r e ， p o w e r p o i n t ，f l a s h p i x ，f l a s h ，h t m l x m l ，s g l l 等格式) 。 第二节网络视频教育的实现方式 网络视频教育是网络教育的重要组成部分。它实现了师生间在视频和音频上的交流，以 虽生动的形式进行教学，可以提高网络教学的效果。 网络视频教育目前可以分为三种不同的解决方案。1 ：纯硬件视频教育方案，纯软件视频 教育方案，软硬件结合视频教育方案。 1 纯硬件视频教育方案 纯硬件视频教育方案，是在每台机器中安装一块音频，视频传输 ，通过多股传输线来 实现音频，视频传输的教学系统。所有的多媒体数据如音频，视频等，都是通过专用多媒体 高速线缆传输到工作站，不依赖于原有的网络的操作系统，音频视频流畅性好。它是当前 较多采用的一种网络视频教育方案。 纯硬件视频教育方案主要存在以下不足： ( 1 ) 纯硬件的产品投资比较大，性价比低，升级换代不容易。 ( 2 ) 因为所有信号均以硬件方式实现，不仅接管了视频音频信号， 的控制信号，因而安装连接比较麻烦，容易出故障，不易维护。 ( 3 ) 与局域网无关的特性又限制了用户接触和学习先进的网络技术， 展。 还接管鼠标，键盘 不能跟上技术的发 2 纯软件视频教育方案 纯软件视频教育方案，是基于网络操作系统来实现音频，视频传输的教学系统所有音 频，视频信号以数字方式进行传输。纯软件视频教育方案代表了网络视频教育的发展方向， d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 具有较高的性价比。纯软件视频教育方案具有以下显著优势： ( 1 ) 投资成本低，性价比高 ( 2 ) 安装维护简单，易升级 ( 3 ) 用户可以接触井学习到最新的网络技术 3 软硬结合的网络视频教育方案 软硬件结合的网络视频教育方案，是在纯软件上类似硬件方案添加音频，视频传输卡， 专门用于音频，视频的传输，而鼠标，键盘的控制信号通过软件在基本的局域网络上传输。 软硬件混合方案综合了纯硬件和纯软件方案的一些特点，它是纯硬件方案向纯软件方案的一 种过渡性方案。 从技术和市场的发展趋势来看，纯软件的网络视频教育方案有着其他两种方案所不可比 拟的广阔前景，代表了网络视频教育的发展方向。 第三节当前网络视频教育所使用的标准 实现网络视频教育系统时，无论是纯硬件方案、纯软件方案还是软硬结合的方案，大都 采用了国际电信联盟标准部( i t u t ) 制定的i t u t h 系列的多媒体会议标准。 i t u th 系列标准包括h 3 2 0 h 3 2 4 系列，h 3 1 0 标准，以及与它们相关的视频、音频 编解码器和组成标准。所有的1 t u th 系列标准支持双向实时音频和视频会话( 在h 3 2 0 ， h 3 2 1 ，f i 3 2 2 中音频和视频分别限制在各自的流中) ，这些标准的扩展支持多点会议( 三个 或多个的站点加入一个会议组) ，加密，远端摄像机的远程控制和广播应用。每个标准都指 定了个基本模式以保证互操作性，但是同时也允许使用标准或非标准模式，这是通过控制 协议来自动协商的。 表1 1 简单介绍了i t u t 系列标准，它们使用的网络和对应的基本视频、音频、复用和 控制标准吼 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 l 囊糕j 鬻j 墨誊j“嘲鲳誊i j 。 ，! 旗糖鬻露i 爱 i 音频：。薯# 。：鬻躐赛瓣曩。j 整鞴孵薹 1 善毒萋 h3 2 0 ( 1 9 9 0 )i s d nh2 6 1g7 1 1h2 2 1h 2 4 2 h 3 2 1 ( 1 9 9 5 ) a t m b i s d n将h3 2 0 适配丁a i 、m b 一 s d n 网络 h 3 2 2 ( 1 9 9 5 ) i s o e t h e m e t 将h3 2 0 适配丁 s o e t h e r n e t 网络 | h 3 2 3 f 1 9 9 6 ) l a n s i n t e r n e th 2 6 1g 7 1 1h2 2 5 0h 2 4 5 h3 2 4 ( 1 9 9 5 、p s t nh2 6 3 g 7 2 3l h2 2 3h 2 4 5 【h3 1 0 ( 1 9 9 6 ) a t m ，b i s d nh 2 6 2m p e g 1h2 2 2h2 4 5 表1 i i t u t 多媒体会议标准( 基本模式) 这些系统分为两代。h 3 2 0 , h 3 2 1 h 3 2 2 为第一代标准，他们都以1 9 9 0 年通过的i s d n 网络上的h 3 2 0 标准为基础。h 3 2 1 ，h 3 2 2 分别描述了h 3 2 0 终端适配于a t m 网络和i s o e t h e m e t 的情况。 h 3 2 3 ，h 3 2 4 和h ，3 1 0 是第二代h 系列标准。它们于1 9 9 5 和1 9 9 6 年通过，都是用新 的h 2 4 5 控制协议并且支持一系列的多媒体编码器。 适用于l a n 和i n t e m e t 的h 3 2 3 是目前网络视频教育中应用得最多的标准。h 3 2 3 所使 用的视频和音频编解码标准都使用h 2 6 1 视频模式作为基础，以保证与h 3 2 0 的兼容性。 h 3 2 3 要求采用g 7 1 1 对数脉码调制( 1 0 9 - p c m ) 音频模式。然而，最近开发了新的编 解码器，包括比特率为5 3 6 4 k p s 的g 7 2 3 1 语音编码器，比特率为8 k b p s 低延迟的g 7 2 9 语音编解码器和h 2 6 3 视频编解码器。这些改进的编解码器通常是可选的，在第二代系统中 被普遍实现。 h 2 6 3 在h 2 6 1 的基础上作了许多改进。使视频质量有了较大提高。在低视频速率下 ( 1 0 - 一2 0 k b p s 视频信号) ，h 2 6 3 视频质量和两倍速率下的h 2 6 1 视频质量相仿，但在高比特 率下两者相差不大。h 2 6 3 将在所有的应用中代替h ，2 6 1 ，但需要继续支持h 2 6 1 以保证兼 容性。 第四节当前纯软件网络视频教育方案的主要技术 纯软件的网络视频教育方案代表了网络视频教育的发展方向。纯软件方案使用的都是多 媒体视频会议的软件系统。目前较有代表性的系统有：n e t s c a p e c o n f e r e n c e 、 w h i t e p i n e c u - s e e m e 、m i c r o s o f h n e t m e e t i n g 等。这些系统虽然各具特色，但 9 d i r e e t s h o w 网络视频教育方案的实现 m i c r o s o t t n e t m e e t i n g 在功能实现上更为全面。 n e t m e e t i n g 实现了在两个i p 之问建立起语音、视频和数字会议，双方或者多方可以交 换文件，使用自板交流，音视频交互和文本交互以及共享桌面和应用软件。 n e t m e e t i n g 支持i t u 的h 3 2 3 标准和t 1 2 0 标准，以及i e t f 的l d a p 目录服务标准。 n e t m e e t i n g 是基于c 0 4 ( 组件对象模型) 技术实现的，提供了大量编程接口。c o m 组件的特 点是可以方便的实现代码的复用和更新，这使n e t m e e t i n g 的二次开发变得非常容易。 如图1 ”1 所示，n e t m e e t i n g 把所有底层技术都封装在它的c o m 组件里了，只要通过访问 它的接口就可以实现它的全部功能。 oooo 图1 1n e t m e e t i n g 组件构成 目前，使用n e t m e e t i n g 实现的纯软件方案已经在中小型校园网中得到了广泛的运用。 在实际运用过程中，也暴露了自身的不足： 1 由于n e t m e e t i n g 所使用的视频和音频编码标准都主要针对低码率编码所以视频、 音频的质量还不高。教师的面部表情变化学生们通常无法看到，因而课堂缺乏一定的生动性。 2 n e t m e e t i n g 只能实现点对点的通讯模式，参与教学的单位如果有多个则只有两个点 能进行视频和音频的交流。其他点的交流就只能通过白板和聊天程序进行。这使得网络视频 教育的范围受到了很大限制”1 。 3 n e t m e e t i n g 只能实现同步教学，也就是在线的实时授课；对于异步教学所需要的视频 点播功能，它并不支持【”1 。 4 n e t m e e t i n g 在实现视频和音频捕获时，采用的是v f w ( v i d e of o rw i n d o w s ) 技术。这种 技术已逐渐被淘汰，不能适应最新的发展要求。 这些问题正是本方案需要解决的。 1 0 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 第五节我国现阶段远程教育现状 我国在1 9 9 4 年启动了中国教育科研计算机f x ( c e m e t ) ，1 9 9 8 年进入二期工程，至1 9 9 9 年，有儿百所学校通过c e r n e t 实现了网络连接，使得教师之间师生之间，学校与社会之 间在资源共享，信息交流，科学计算等方面的条件得到了质的提高。在2 0 0 0 年二期工程结 束后，不仅有近1 0 0 0 所大学进入c e m e t 而且相当数量的中小学也加入了这个人家庭。在 高等学校组建校吲网，就是利用校园内的各种信息资源如服务器、交换器、光盘列阵及网 上运行的程序、数据库等，通过高性能的网络设备和接口，连接到广域网上，从而沟通了校 园内部、校园之间，校园和社会之间的信息基础设施。 构建校园网的主要硬件有：服务器、l i p s 、传输设备( 光纤、双绞线等) 、交换机、h u b 以及终端工作站、网卡等。下面是远程教学总体结构图”】( 见图1 2 ) ： 图1 2 远程教学总体结构图 由上图可以看到：目前我国的网络视频教育系统主要还是通过硬件方案来实现，使用的 多媒体会议标准则主要为h 3 2 3 标准。在服务器端，需要视频采集卡和摄像机等专业视频设 备，来进行视频和音频的捕获，录制和编辑。 - j l - d i r e c t s h o w 列络视频教育方案的实现 使用这种硬件方案的教学效果较好但是它的成本过高，普通的远程教育用户通常无法 承受，因而限制了网络视频教育的推广。 小结 远程教育突破了时间和空间的限制，可以为学习者提供极大的便利。网络视频教育是远 程教育的重要组成部分，它主要实现师生间在视频和音频上的交流。 网络视频教育的实现方式主要有纯硬件、纯软件和软硬结合3 种方式。其中，纯软件的 网络视频教育方案是今后发展的趋势。 目前纯软件的网络视频教育方案所采用的技术大多是n e t m e e t i n g ，它遵循h 3 2 3 的多媒 体会议标准，在中小型教学网中得到了较多运用，同时也存在视频音频质量不高、不支持异 步教学和多点通讯的问题。 我国的网络视频教育以硬件实现为主，存在成本过高的缺点，限制了它的推广。 本章主要介绍了网络视频教育的概况和使用的标准，并讨论了目前实现网络视频教育时 遇到的一些问题。 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 第二章d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的概述 第一节方案的研究意义 远程教育的优势在于它突破了时空限制，增加了学习机会，有利于扩犬教学规模，提高 教学质量，降低教学成本。学习者可以在自己方便的时间，适合的地点，按照自己需要的速 度和方式，运用更加丰富的教学资源来进行学习。因此，从发展的眼光看，远程教育会成 为学校教育的补充和扩展，同时会促进学校的教育改革。 当前的网络视频教育中，普遍采用的技术是i t u - t h 系列标准中针对于局域网和固特网 的h 3 2 3 网络视频会议标准。其中用于视频的标准为n 2 6 1 和n 2 6 3 ，音频标准则主要为 g 7 1 1 、g 7 2 3 1 和g7 2 9 。这些技术都可以在有限的带宽下，实现令人较为满意的画面和声 音效果。 但是随着远程教育应用的普及和发展，目前的所采用的技术也逐渐暴露出了它的问题： 1 现在我国较多运用的硬件网络视频教育方案成本过高，不能为普通用户接受，限制了 它的推广也不便于升级换代。 2n e t m e e t i n g 实现的纯软件网络视频教育方案视频和音频质量不高，不支持异步教学 和多点视频通讯。 3 无论是纯硬件方案还是纯软件方案，它们所采用的视频和音频编解码都遵循h 3 2 3 标准，所输出的媒体数据格式较为单一，不能适应用户需求和网络环境的变化。 本文针对以上问题，提出了一个新的网络视频教育方案，来提供更高的服务质量，支持 同步教学和异步教学，可以兼容多种编解码方式，并降低成本使其可以被普通用户所接受。 为此，方案的实现将选择使用d i r e c l s h o w “技术。 微软的d i r e c t x 软件工具开发包( s d k ) 提供了一套优秀的应用程序编程接口( a p i ) ，可 以提供开发高质量、实时的应用程序所需要的各种资源。对于在w i n d o w s 平台下实时的多媒 体程序开发，它将是最好的选择。d i r e c t s h o w 是d i r e c t x 的一部分，它是进行视频和音频 实时采集、编码和播放的极为有力的工具。 利用d i r e c t s h o w 进行网络远程教育的开发，可以提高网络视频教育的视频和音频质量、 系统兼容性，并降低开发和运行成本。 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 第二节方案的设计目标 第一章第二节中曾经提到，纯软件的网络视频教育方案，是今后网络视频教育的发展方 向。与纯硬件和软硬结合的方案相比，纯软件方案拥有更好的灵活性和扩展性。因此，本方 案考虑采用纯软件的方式来实现。 上一节已经讲述了当前网络视频教育所遇到的一些问题。下面根据这些问题，提出本方 案的设计目标。 ( 1 ) 降低方案的成本，可以使其被普通用户接受。 专业的视频会议系统非常的昂贵，普通用户根本无法接受，使其无法推广到网络教育中 去。这也是本文采用纯软件方案的原囡之一。方案要求可以利用有限的、廉价的资源，除了 基本的p c 机外，方案仅需摄像头和话筒( 市价共2 0 0 元左右) 就可以了。 ( 2 ) 提供更高的视频和音频质量。 原有的网络视频教育系统中的低分辨率视频画面和音频的电话音质已经不能满足用户 的需要。为此，视频方面，方案需要实现3 2 0 * 2 4 0 ，6 4 0 * 4 8 0 甚至更高分辨率的画面；音频 方面，方案需要可以提供高于电话或无线广播的音质。也就是，方案需要达到普通v c d 的 视频和音频质量，甚至更高。 ( 3 ) 方案应该在有限的带宽下，实现第一个目标；同时，要求方案可以适应较大范围 内的带宽变动。 现在制约网络视频教育的瓶颈还是网络的带宽问题。如果抛开网络的带宽限制，那么方 案就算实现了更好的视频和音频质量，也毫无用处。另外，由于网络的带宽不一定是固定不 变的，在不同的时间或者地点，可能有着不同的网络带宽。因此，一方面，方案实现所要求 的带宽不能超出带宽限制；另一方面，又要尽量充分的利用网络带宽从而带来更高的服务 质量。比如，在带宽较小时，用户希望降低视频和音频的质量，甚至放弃视频，以满足最基 本的交流需求；而当网络带宽有较大提高时，希望视频和音频质量也可以有相应大幅度的提 高。 ( 4 ) 方案应支持同步教学和异步教学模式，并支持多点通讯。 同步教学和异步教学可以适应用户不同的需求，提高网络教育的效率。同步教学也就是 在线的实时授课，要求对教师的授课过程进行实时捕获，并发送到客户端：异步教学要求可 以将事先准备好的授课录像传输到客户端进行播放。而支持多点通讯，才可以同时使更多的 学生能与教师进行视频和音频上的交流。 d f f e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 ( 5 ) 方案应该有更好的兼容性扩展性。 方案需要兼容各种视频和音频编码方式。视频方面，既要支持传统的视频会议标准 h 2 6 1 、h 2 6 3 ，也要支持最新的m p e g 一4 t 川等；音频方面，相应也希望可以支持旧的g 7 1 1 等编码标准，同时要求支持如m p 3 的新的编码技术。而当山现了一种新的编码技术，或者 某个编码技术有个更新的版本时，方案应该可以将其快速的投入到实际应用中去。 综上所述，本文所阐述的方案是一个纯软件方案，它的设计目标是降低成本；提供更好 的服务质量；可以充分合理的利用带宽；支持同步和异步教学模式：有着更好的兼容性和扩 展性。 第三节方案的结构 在这一节中，将根据上一节中确定的方案设计目标，来设计方案的总体结构。 ( 1 ) 方案所使剧的视频和音频捕获设备，是廉价的摄像头和麦克风。 摄像头和麦克风这类设各，所生成的视频和音频质量自然无法与专业的设备相比。但是， 在网络视频传输应j j = i 中，网络的带宽才是最大的瓶颈，是它限制了传输画面的质量，因此就 算是视频捕获端生成了高质量的画面，也无法在有限的带宽下将其传送到各个客户端。现在 的摄像头的像素大致都在3 0 万像素左右可蚍生成3 2 0 * 2 4 0 , - 6 4 0 * 4 8 0 分辨率的视频画面， 已经可以满足一般的远程教育需求了。 ( 2 ) 方案将选用更先进的编码方式来提供更好的视频和音频质量。视频方面，主要采 用最新的m p e g - 4 编码标准：音频方面，将主要采用m p 3 编码方式。 ( 3 ) 方案要求有对网络带宽变动的适应性。因此，方案中视频和音频的编码方式，编 码质量应该是可以变动的。可以根据当时的网络带宽，修改编码器的各项属性甚至直接更换 编码器，从而提高或降低视频和音频的质量，以充分利用网络带宽。 ( 4 ) 方案中的媒体数据来源，既可以是实时捕获的视频音频数据，也可以是事先录制 好的各类媒体文件，并提供视频音频的录制功能。以实现同步和异步教学模式。同时，视频 音频数据的传输采用组播方式。 ( 5 ) 方案不限于单一的编码方式，可以兼容多种编码器。视频方面，除了各类m p e g 4 编码方式外，还兼容h 2 6 3 等编码方式。音频方面，除了m p 3 以外，也提供g 7 1 1 、a d p c m 等编码方式的支持。使用户可以根据实际需要适时地做出恰当的选择或变更，达到更好的 应用效果。同时，也要考虑到将来的扩展性，提供对还未出现的编码器( 或编码器新版本) d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 的支持。由于方案采用了d i r e c t s h o w 技术，它基于c o m c o m + ，有很好的兼容性。同时， 只要编码器提供d i r e c t s h o w 标准的c o d e cf i l t e r ，就可以在不改动原有的应用程序的前提下， 直接应用新的编码器。 至此，可以画出方案的大致结构图。下面是方案中视频和音频发送端的结构图( 见图 2 1 ) 视频音频源编码系统 一雯雾 l 视频l。阿习 i 曩善i 瓢区l 音频l j 曩娄l 。h 警y i 网络 n 网络视频i 7 1 竺竺兰】 、 l 视频 文件l i 传送 ， r 1 音频。旧频y n 网络 文件7 i 竺竺竺 1 音频 7 i 传送 图2 1 方案结构图发送端 图2 1 中左端的视频音频源分为两类：一类是捕获设备，如摄像头是视频捕获设各话 筒是音频捕获设备：另一类是媒体文件，视频和音频信息可以来自不同的文件，也可以是同 一文件( 如果文件同时包含视频和音频信息，方案可以只提取其中的一种媒体信息) 。 中间的编码系统也有两类：一类是编码器，对未经编码的原始媒体流进行压缩编码，编 码器不是固定不变的，它可以根据当时的条件和需求进行选择；另一类是解码器，将编码过 的数据还原成原始的可以直接播放的媒体流，解码器将根据媒体文件输出的媒体流格式选 取。 画面右端为网络传送部分，可以将从编码器或者是媒体文件得来的媒体流发送到网络。 另外，也可以将从编码器传来的媒体流保存为文件。视频和音频可以分开保存在不同的文件 中，也可以结合后放在同一个文件中。 - 1 6 d i r e c t s h o w 网络视频教育方案的实现 从图中可以看出，媒体源是多变的，可以是捕获设备，也可以是媒体文件。事实上，媒 体源是可以任意组合的，实际应用中，可以使用这一功能。来达到一些特殊的效果。比如， 可以将即时捕获的视频和音频信息保存为文件，以后再将这些文件直接发送到网络播放；也 可以将原有的媒体文件经解码再以另一种形式编码后达到转换其格式的目的：甚至可以将视 频文件中的视频流和音频捕获设备捕获的音频流结合，保存到文件或发送到网络，达到“配 音”效果。 另外，视频和音频不必同时存在。方案可以在需要的时候关闭其中一个。通常来说，在 网络带宽极其有限的情况下，可以选择关闭视频流。因为对于一个网络远程教育或者视频会 议来说，音频通常要比视频更加重要：而且。视频流所占用的带宽也要比音频流更高。 下面是视频和音频接收端的结构图( 见图2 2 ) 视频音频源编码系统 。阿习 文件i 雁 r l 。眄习 网络i 一 也 播放器 视频 _ k 、 、1视频i 传送l 网络rl 音频 音频叫解码器播放i 传送 、 音频 、， 播放 图2 2 方案结构图接收端 图2 2 中可以看到，从网络获得的视频流和音频流通过解码器解码后，既可以在播放器 中播放出来，也可以再次编码存放到文件中去。或者不经过编码系统，直接将从网络接收到 的媒体流存放到文件中去。存放视频和音频流的文件可以是同一文件，也可以是不同文件。 接收端和发送端一样，不必同时存在视频和音频流，可以根据自身情况，自行关闭某一 个媒体流。 d i r e c t s h o w 刚络视频教育方案的实现 在一个终端上。同时存在发送端和接收端，这样，才可以实现与他人的交流。在网络教 育和视频会议的情况下，通常只有一个人发言。所以在一般情况下，除了发言者处在发送 状态，其他终端都处于接收状态。这样也可以减少带宽的使用：当然，也不排除小组多人讨 论的情况，这种情况比较复杂，不在本文讨论范嗣之内。 第四节方案涉及的主要技术 这一节中，将简单介绍方案所涉及到的主要技术。 1 d i r e c t s h o w d i r e c t s h o w 是本文所阐述的网络多媒体教育方案的架构基础。它是微软公司提供的一 套在w i n d o w s 平台上进行流媒体处理的开发包，与d i r e c t x 开发包一起发布。目前，d i r e c t x 最新版本为9 o b 。 d i r e c t s h o w 为多媒体流的捕捉和回放提供了强有力的支持。d i r e c t s h o w 支持w d m 驱动 模型的采集卡上捕获数据，并且进行相应的后期处理乃至存储到文件中。它广泛地支持各种 媒体格式，包括a s f 、m p e g 、a v i 、d v 、m p 3 、w a v e 等等。另外，d i r e c t s h o w 还集成了d i r e e t x 其它部分( 比如d i r e c t d r a w 、d i r e c t s o u n d ) 的技术，直接支持d v d 的播放，视频的非线性 编辑，以及与数字摄像机的数据交换。 值得一提的是，d i r e c t s h o w 提供的是一种开放式的开发环境开发者可以根据自己的 需要定制自己的组件。本方案利用这一点，定制自己的组件( 网络传输f i l t e r ) 来实现媒 体数据的网络传输。 在下一章中，将会详细介绍d i r e c t s h o w 技术。 2 肝e g 一4 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 是一个国际标准化组织。它制定了一系列的视频 和音频的压缩标准，其中包括大家所熟悉的m p e g 一1 和m p e g 一2 。m p e g 一4 就是肝e g 的第四个 版本。 m p e g 一4 的初衷是这对于视频会议、视频电话的超低比特率编码，但在调查过程中，m p e g 感到了两大变化，并据此立即修改计划，制定了现在意义上的m p e g 一4 标准： ( 1 ) 物质基础的变化：高性能通用芯片性价比的提高使得基于软件平台的压缩编码方法 具有实用的可能。 d i m n s h o w 网络视频教育方案的实现 ( 2 ) 应用需求的变化：对于多媒体信息，